（机械电子工程专业论文）基于图像处理技术的亮场下光学透过率检测系统研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于图像处理技术的亮场下光学透过率 检测系统研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文 中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：空龌巡年月上日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n 融系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版允许论文技查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编a 有关数据库进行检索也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名 导师签名 摘要 在光学设计中透过率是评价光学系统的重要指标之一。目前对于透过率的检 测大多采用单通道的检测方法环境依赖性强，抗干扰能力差只能在暗室中进行测 量。国内在亮场下对光学器件的透过率测量一直没有通用的测试仪器。本研究就是基 于这个背景应运而生的。通过理论分析可以根据实测与空测时光斑图像亮度变化的 灰度值比值来计算光学器件的透过率。本文根据这一理论提出了基于图像处理技术的 亮场下光学透过率的检测方法。根据相关检测的原理，设计出了检测系统的光路结构 及硬件结构。根据维纳噪声滤波的原理滤除光斑图像上加性噪声对测量精度的影响 通过图像分割及最小二乘原理定位光斑的中心和半径，以确定光斑图像的灰度值之和 是后计算出透过率。实验结果表明，该采集处理方法对背景光噪声具有有效地抑制能 力，并能快速的对透过率进行检测。 关键字：图像处理亮场透过率相关检测图像分割 a b s t r a c t i no p t i c a ld e s i g n t r a n s m i t t a n c el so n eo ft h ei m p o r t a n ti n d e x e so fo p t i c a ls v s l e ma t p r e s e n to p t i c a lt r a n s m i t t a n c ei sw i d e l 、d e t e c t e db 、rs i n g l ec h a n n e lm e t h o dw h i c hm u s tb e 6 n i s h e di n 山ed a r k r o o mi no r d e rt oe n s u r ed e t e c t i n ga c c u r a c 3 + b e c a u s eo fs t r o n g bd e p e n d i n g o ne n v i r o n m e n ta n d a n l i - i a m m i n gc a p a b i l i t y b u t f o r t h em e a s u r e m e n to fo p t i c a i t r a n s m i t t a n c ed e v i c e si nt h eb r i g h tc o n d i t i o nt h e r ei sn og e n e r a lm e a s u r e m e n tl n s t r u m e n tt n c h i n at h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o v , t a i tc a nb a s e do nt h er e s u l to fe m p t 3t e s ta n da c t u a lt e s t w h e n c h a n g i n gt h eb r i g h t n e s s o f t h e i m a g ew a y v a l u e st oc a l c u l a t et h er a t i oo f t h e o p t i c a lt r a n s m i s s i o nd e x i c e st h i sp a p e rp r o p o s e sat r a n s m i t t a n c em e t h o db a s e do ni m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f c o r r e l a t i o nd e t e c t i o nt h i sp a p e rd e s i g n s r no p t i c a ls t r u c t u r e a n dah a r d w a r es t r u c t u r ea c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo f w i e n e rn o i s e f i l t e r i n gf i l l e t i n go fa d d i t i v en o i s eo nt h ei m a g es p o ti m a g es e g m e n t a t i o na n dt h el e a s t s q u a r ep r i n c i p l eb 、p o s i t i o n i n gt h ec e n t e ra n dr a d i u so ft h es p o ti od e t e r m i n et h ev a l u e s o fs p o t a n dg r a 3i m a g e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w n t h a t t h i s m e t h o do f a c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gc a nr e s t r a i nt h eb a c k g r o u n dn o i s ea n df a s t c a a t xo nt h e d e t e c t i n go ft h e t r a n s m i t t a n c e k e ? w o r d s ：i m a g ep r o c e s s i n g t h e b r i g h t c o n d i t i o n t r a n s m i t t a n c et h e c o r r e l a t i o nd e t e c t i o n i m a g es e g m e n t a t i o n 目录 1 引言 一 】 2 目的及意义 1 3 国内外研究现状2 4 论文主要研宄内容及主要工作6 第二章检测系统总体方案设计8 2 1 光学透过率检测方法的分析8 2 2 相关检测技术 1 0 二3 光学透过率检测系统的整体方案设计1 2 2 4 本章小结 1 4 第三章检测系统硬件设计1 5 3 1 光源发生系统 15 3 2 光束分光系统一 1 6 33 调频系统 18 3 4 光电转换系统 1 9 3 5 图像采集系统2 2 3 6 本章小结2 6 第四章 图像处理系统。2 8 4 】编程软件7 c + + 60 简介 一 2 8 4 2 测试方法及图像处理的流程图1 9 43 图像预处理 3 1 4 4 图像分割3 8 4 5 定位中心和半径 4 2 4 6 图像重载及灰度值统计 4 4 47 透过率测量实验 4 5 48 本章小结 一 4 6 第五章总结4 7 致谢4 8 参考文献。4 9 附 录攻读硕士学位期间发表学术论文情况j 1 沧绪 要盯录 卧 章 盯 一 摘肺目第 第一章绪论 11 引言 光学器件透过率是采用被测件的出射光通量与入射光通量之比来表征，它标志光 学器件传输光辐射能强弱、表征光学器件质量的一个重要性能指标，其大小影响到成 像信噪比的高低【卜4 j 。 目前，透过率检测采用的传统的测试方法是所谓的单通道测试方法，它是将被测 件放在测试光路中得到的实测值和撤掉被测件的空测值之比，作为被测件的光学透过 率。由于被测信号为直流信号，无法避免1 厅噪声以及背景噪声的干扰，而且为减少背 景光的影响，必须在暗室中进行测试( 无法在亮场下进行测试) ，要求检测很苛刻，同 时由于无法保证实删和空测时光源强度的一致性( 电压变化01 ，光源强度变化 03 6 ) 检测误差较大一般精度为3 ； 自从进入2 1 世纪以来，科学技术的发展日新月异。图像处理技术也得到了飞速发 展，正逐渐成为其他科学技术领域中不可缺少的一项工具。从空间探测到微观研究， 从军事领域到工农业生产，越来越多的领域应用到图像处理技术。随着光电检测技术、 感测技术、通信技术、人工智能技术和控制技术等技术的快速发展以及应用这些技术 中的遥感测控、工业监控、计算机视觉等领域对图像处理技术的各种性能要求也不断 提高。因此在应用大量成熟技术的同时提出基于图像处理技术的亮场下光学透过率 榆测系统的研究在机电工程领域用一定的应用价值和实际意义。 12 目的及意义 光学透过率是光学器件研制、生产、销售和光学系统定型的重要光学性能指标之 一。光学透过率是指在入射光光通量自被照面或介质入射面进入，从另外一面离开的 过程投射到物体上面并透过物体的辐射能与投射到物体上的总辐射能之比，称为该 物体的透过率。一般透过率与物质的属性有很大关系。跟反射率不同，反射率仅是发 生在界面处因此其影响的因素比较少，而对于透射率，如果介质存在损耗，还取决 于物体的厚度光的波长等因素对于无吸收损耗的介质，透射率十反射率= 】。 目前国内生产的光学透过率测试产品受环境( 只能在暗室中进行) 、人为因素影响 较大，增大了测试仪器的随机性误差，测试精度( 2 ) 无法满足加工需求。随着我国 加入w t o 及企业资质认证制度的实施光学透过率检测手段需要与国际标准接轨因 此。开展具有独立知识产权的光学透过率测试替代进口已势在必行。 开展光学透过率测试研宄掌握关键技术，有利于突破国外技术封锁，实现与国 际标准接轨，有利于提高光学透过率测试精度，解决我国高端光学透过率检测仪器滞 后国外的不利局面，有利于改变目前企业抽检评估产品透过率指标的情况，实现产品 】0 0 在线检测，提高产品质量，增强我国企业国际竞争力。因此研制亮场下光学透 过率测试系统具有重要的意义。 理论上可通过摄取实测与空测的光斑图像来计算各测试点对应的灰度比值，即光 学器件的透过率。但是目前在亮场下的光学透过率检测易受到背景光的干扰测试信 号被背景光所淹没，并且光斑图像会受到硬件系统产生噪声的污染，造成了检测精度 不高。因此如何快速精确的在亮场下进行检测光学器件的透过率成为急需解决的问 题。 基于图像处理技术的亮场下的光学透过率检测具有以下优点： 1 图像处理技术可以进行实时在线检测提高生产效率，实现1 0 0 州。光学器件检 测。 2 图像处理技术可以通过有效算法实现对光斑图像的处理和计算出透过率，相比 于其他硬件方法可以更方便，快速，准确的检测出透过率。 3 图像处理技术可以更加准确的提供检测系统中硬件产生的噪声对光斑图像的污 染情况检测人员可根据这些具体情况采用台理的方法对噪声进行分析和处理。 d 图像处理技术可以和传统的检测方法相结台抑制亮场下背景光对测试信号的干 扰。 5 随着计算机性能的不断提高图像处理技术可以灵活的在计算机的软件系统中 实现。最终使得企业生产走向半目动化或自动化，提高台格产品的产量以及增加企业 的经济效益。 13 国内外研究现状 图像处理技术最早应用于传媒业2 0 世纪2 0 年代，图像第一次通过海底电缆从伦 敦传送到纽约用以提高报纸的质量。由于图像处理技术需要非常大的存储量和计算量， 图像处理大致上可以分为模拟图像处理和数字图像处理川。 数字图像处理是指把图像信号转换为数字信号，将数字信号发送至可以进行图像 处理的计算机，由计算机来进行处理，这一过程称为数字图像处理。数字图像处理有 其精度高，处理能力强，可进行复杂的运算，有灵活的变通能力等特点。 2 0 世纪7 0 年代数字图像处理技术的得到迅猛发展理论与方法都有很大提高，广 泛应用于文字识别、医学诊断、遥感通信等。目前，伴随计算机性能的不断提高可 以进行更为复杂的运算，应用数字图像处理技术的领域越来越广。例如在航空领域， 可以将月球、火星或者更远星球拍摄的照片进行处理：在工业生产领域，数字图像处 理可咀对产品的质量进行检测、汽车的车型识别、牌照识别等：在医学领域可以在诊 断、医治、痫况分析等提供依据大大减轻了病人的负担：在科学研究领域，数字图 像处理技术可以应用在多维进行信启处理，是科学研究中的重要技术手段巾j 。 数字图像处理可l 1 分成三个阶段：圈像的转化和存储、图像的优化、图像的 理解。 图像的转化和存储主要包括对图像的数字化、变拽、编码等是图像处理中 最基本的内容。 图像的优化主要指在视觉上将效果差的图像，通过图像处理改善其视觉效 果，包括图像增强和图像复原。 图像的理解是对图像的高级应用，主要是对图像信启的理解过程。包括两个 部分：l 图像分割它是将图像中的目标区域提取出来的方法目前常用的方法 有分水岭算法，最大方差闽值算法等：2 图像特征提取，是通过匹配等方法对图 像中的有效信息进行识别。“。 人工神经网络是一种由大量神经元组成的具有高度非线性的动力学系统。近 十年间，随着神经网络理论的深入研究神经网络技术的非线性映射、自适应能 力等优点得到了充分认识，在图像处理领域，神经网络的各种模型得到了广泛应 用。 在人工神经网络的各种模型中，b p 神经网络采用反向传播算法的多层前馈网络， 作为一种自适应的神经网络技术在圈像处理领域有广泛的应用。 h o p l l e l d 神经刚络是一种动态网络在图像边缘检测、图像模式识别有较多应用。 图像采集卡( i m a g ec a p t u r ec a r d ) 叉称图像捕捉卡是一种可以获取数字化 视频图像信息并将其存储和播放出来的硬件设各。很多图像采集卡能在捕捉视频信 息的同时获得伴音使音频部分和视频部分在数字化时同步保存、同步播放。 图像采集卡的功能是将图像信号采集到电脑中，咀数据文件的形式保存在硬盘上。 它是我们进行图像处理必不可少的硬件设备通过它。我们就可以把摄像机拍摄的视 频信号从摄像带上转存到计算机中，利用相关的视频编辑软件，对数字化的视频信号 进行后期编辑处理、比如剪切画面，添加滤镱、字幕和音效、设置转场效果以及加入 各种视频特效等等，最后将编辑完成的视频信号转换成标准的v c d 、d v d 以及网上流行 媒体等格式方便传播。 一般图像采集卡和其他的1 3 9 4 卡差不多，都是一块芯片链接在台式机的p c i 扩 展槽上就是显卡旁边的插槽经过高速p c i 总线能够直接采集图像到v g a 显存或主 机系统内存此外不仅可以使图像直接采集到v g a 实现单屏工作方式而且可以利用 p c 机内存的可扩展性实现所需数量的序列图像逐帧连续采集，进行序列图象处理分 析。此外，由于图像可直接采集到主机内存，图象处理可直接在内存中进行因此图 象处理的速度随c p 速度的不断提高而得到提高，因而使得对主机内存的图像进行并 行实时处理成为可能。 目前国外研制生产可见光透过率检测系统的厂家主要以日本的t o p c o n ( 拓普康) 公司和德国思创公司为代表。日本t o p c o n 公司生产的t m 一2 型测试仪是一款镜片透过 率测试的专用标准仪器如图l1 所示。该仪器可自动完成对可见光的透射比进行定量 的测量并将采集的数据进行计算对比以此判断镜片是否符合标准。测量速度快为 ls ，采用闭环光源控制技术，能有提高光源的稳定性，测量精度可过0 ：德国思创 公司生产的t t a 型是专门用于圾璃可见光透过率删定的仪器如图12 所示该仪嚣 可配备外传感器可以在亮场下测量各种玻璃的可见光透射率。其测量精度可选1 最大被测物为l o m m 。国外的产品精度可达03 可在亮场中完成测量。 图l1 日本t o p c o n 公司t m 一2 型测试仅 试数据。深圳市林上科技公司生产的l s l 0 2 型光学适过率测量仪是一款高精度光学测 量仪，如图l3 所示，专业用于颡i 试玻璃、太阳膜透过率。测量范围为3 8 0 h m 7 6 0 n m 测量精度为3 ，具有自校准功能开机后自动棱准到1 0 0 透过率，无顽手动校准 可选用便携式外挂锂电池包实现便携测量。沈阳市广厦电子有限公司研发了g d 一2 0 0 4 d 型玻璃镀膜可见光测试仪，如图14 所示该仪器采用微机技术具有自动调零功能。 可通过r s 2 3 2 口与打印机联机，测量范围为5 5 7 n m 9 0 0 n m 测量精度可达2 。国内产 品最高测量精度为2 同时对测试环境要求苛刻只能在暗室中完成测试对电源电 压、环境温度等困素依赖性强。 测试槽 仪器开关 表i l 国内外透过章测量仅器对比 表卜1 反映的是我国与国外透过率测量仪器的对比数据，可见国内的透过率测量 仪器无论在测量精度、光谱范围还是使用环境上都逊色于国外同类产品。采用国内 仪器无法完成在亮场下的光学器件的透过率测量，但国外的仪器价格昂贵因此开展 具有独立核心技术的透过率测试仪器的研究具有必要性。 14 论文主要研究内容及主要工作 本论文结台图像处理技术、光电检测技术、计算机软件技术以及光学设计的知识， 研究出了基于图像处理的技术完成对光学器件透过率的检测。 通过对传统光学透过率检测原理和方法的分析总结其优缺点，针对在亮场下进 行测试的这一环境要求，提出了本文光学透过率检测系统的原理及方法。第一章简单 介绍了图像处理技术发展历史和应用前景，光学透过率检测的国内外研究现状。第二 章介绍了检测系统的总体方案设计。第三章讲述了检测系统的硬件设计。第四章详尽 讲述了光斑图像处理的方法及透过率的测试实验。最后为总结。 主要工作： ( 一) 对光学透过率检测系统的原理进行了研究： ( 二) 对亮场下进行透过率检测系统的光路结构设计： ( 三) 对测试系统的硬件设计和选型： ( 四) 对基于互相关原理的图像采集卡的设计： ( 五) 对光斑图像透过幸处理方法研究： ( 六) 对光斑图像处理的算法研究； ( 七) 用v c h 编程软件编制图像处理的程序： ( 八) 光学透过率检测系统的实验研究； 解决的问题： 通过对透过率检测系统的光路设计，使测试可以在亮场下进行：通过基于互相关 原理的图像采集卡设计，有效的抑制环境对测试的影响：通过光斑图像透过率处理方 法研究，解决了采用图像处理技术对透过率检测的问题：通过对光斑图像处理算法研 宄，提高了透过率检测的精度， 第二章检测系统总体方案设计 21 光学透过率检测方法的分析 光学透过率r 可以定义为： r = 兰x 1 0 0 ( 2i ) 口 其中，为入射，出射的光通量。此透过率反映了光经过光学系统后光能量的损 先程度”。光学系统的透过率分为光谱透过率和白光透过率其中白光透过率是指用 c i e ( 国际照明协会) 规定色温下的白光作为光源，测量可见光范围内的光谱透过率的 总和。 在光谱透过率检测中，早期的光学系统透过率的测量一艘采用光电流检测法。光 电流检测法是指在测试系统中用加载被测件时的光电流计示值与不加载被测件时的光 电流示值之比，得到比值就是被测件的光谱透过率。其光路结构如图2l 所示。 ( b ) 1 _ 光濂装兰： 丹划扳：3 一被4 件； 探测器s 丹划娃立* 探剽g 土颦：7 t 作目：8 橙流1 9 - 稳：i * 盖 ：i l 光源1 2 浆光镜：1 3 一光闸：1 半打光管准h 物镜：1 5 光阚：1 6 自光m 池 图2 光流检测法装置与光路的结构 测试系统如图2l ( a ) 、( b ) 所示光源经过聚光镜1 2 将光束通过光阑1 3 在平行 光管准直物镜1 4 的聚焦点上放置了光阑1 3 以及两个孔径光阑，为了能够不加载被测 件与加裁被测件时系统的辐射光通量保持一致则平行光管准直物镜1 4 孔径应该比系 统的入瞳直径要小。分划板2 能够使系统在不加载被测件与加载被测件时光束通过量 一致。探测器4 放置在工作台上，用来接受系统加载被测件时被删系统3 上的光通量， 能够使加载被测件时的光通量与不加载被测件时的光通量相比。 因为硒光电池1 6 的接收能量与人眼的接收能量近似一致，所以可以把被测系统辐 射光通量与捡流计8 得到的示数值看成正比。根据这一理论特性，可以用检流计8 得 到不加载被测件时的光电流值和不加载被测件时的光电流值帆，由式( 22 ) 得到光 谱透过率r ： f = 二二x 1 0 0 ( 2 2 ) ，、 式中m 。表示在系统不加载被测件时检流计8 的示值数, q ，表示在系统加载被测 的检流计8 的示数值。 光电流榆测方法的优点是装置的结构相对简单具有一定的通用性，但是缺 受环境影响较大，测试过程长，数据繁琐，精度较低，一般精度只有3 。 另外一种是积分球检测法1 13 1 这种方法一般用于港望镜自光透过率的测量， 法一般由准直系统和探测系统两部分组成： ( 1 ) 准直系统 准直系统由光源、聚光镜、分划板、d , ：i l 光阑、可变光阑和直准物镜组成： 经过聚光镜和分划板及d q k 光阑和可变光阑后由直准物镜提供测试系统需要的平 线。 ( 2 ) 探测器系统 探测器系统由积分球、硒光电池和捡流计组成。其光路结构如图22 所示。 1 m ：2 - 聚光键3 - 舟划板4 小孔光阑：5 - 光闻。直准镜7 日坚光嘲 被剥件：积分球1 0 - 硒光屯池l i - 检癍计 图22 积分球检删法的光路结构 光源1 发出的光线经过聚光镜2 和分光板3 后由d , - l 光阑4 和光阑5 均匀地照 射到直准物镜6 上。通过调节可变光阑物6 使准直物镜7 的平行光线适合钡4 试系统所 需。平行光线经过被测件8 后射入积分球9 内韶在积分球9 内部由于高反射材料的 作用光线的辐射通量保持相同，再由积分球上的小孔和硒光电池l o 相连接通过与硒 光电池1 0 的窗口连接的检流计1 1 可以检测到测试系统的光电流值。由此可以读出 不加载被测件时和加载被测件时的光电流示数。 由于积分球内部的高反射材料的作用使得与之相连接的硒光电池各点灵敏度保持 了一致，从而消除了由于接收器灵敏度不同而造成的影响。因为潜望镜没有设计专门 用于测量透过率的暗室，测量过程只能采用在无任何灯光的暗室中进行测量。 积分球检测方法的优点是采用积分球使光照射度与入射光线照度与入射光通量成 正比消除了硒光电池的各种灵敏度不同造成的影响，缺点是只能在暗室中进行测试， 测量精度不高。 总结以上两种方法优点和缺点本文提出了一种基于图像处理技术的检测方法。 针对背景光的干扰在相关检测的原理的基础上，设计出了一种双光束的光路结构 以提高微弱信号的检测能力使测试系统能够在 空测和实测的光斑图像灰度值对比的理论，来计 检测可见光( 3 8 0 n m 7 8 0 r a n ) 波段内的透过率 于1 。 22 相关检测技术 图像信号检测的关键在于抑制噪声、恢复、 亮场中进行检测：根据可咀通过摄取 算光学系统的透过率。这种方法可以 可以在在亮场下进行测试精度可优 增强和提取有用的信号提商信哚比 i 一 ( s n i r ) 定义 s n l r =型嘤! 骅：! 业坠 ( 23 ) 输入信噪比( s _ v ) ， 即输出信噪比与输入信噪比之比。s n i r 越大，表明处理噪声的能力越强。 相关检测技术的原理则是根据有用信号在时间上相关，噪声信号在时间上随机的 特性利用乘法器、延时器、积分器进行相关运算，从而将淹没在噪声中的有用信号 有效的提取出来1 ”。”。 相关检测主要分为自相关检测和互相关检测，自相关检测的原理框图如图2 4 所 z i ： r fr 圈2 5 互相关幢测的原理框图 输入乘法器的是被噪声一( ，) 所淹没了的有用信号s “) 即z ( ，) = s ，( ，) + ( ，】和被延 时了的与被检测信号s ( ，) 同频率的参考信号y ( ，】乘法器的输出为： 只，( r ) = 熙庄z ( t ) * y ( t - r ) d t - r ；( r ) + 丘( r ) ( 26 ) 1 测量范围：3 8 0 n m 7 8 0 h m 2 测量精度：1 23 1 检测系统的硬件设计 透过率检测系统的没计如图2 6 所示 1 - 光源：2 一光透镜3 光嘲：d 滤光h5 、6 一半反半遗镜；7r & ”镜9 _ 斩光g ：l p 被# ： l l 、1 2 一光电耦e g1 3 光屯传感81 4 目像采集专用卡15 “算机 图26 系统原理简围 光源发出的光经聚光镜后变为平行光束，再经光阑进行光束大小的调节，进而由 滤光片所需要的光谱校正；由滤光片出来的光经过半反半透镜分为两柬光一柬为测 试光束a ，另一束为参考光束b ：参考光束b 经过反射镜调整为与测试光束 相平行的 光束：斩波器通过两个不同半径的边缘开有均匀分布的小孔通过斩波器的转动对参 考光束b 和测试光束a 进行调制根据斩波器电机转速的调整就可以调整光的调制 频率；然后将经过调制的两路光经过反射镜和半反半透镜同时送入到光电传感器中 光电传感器将两路光信号采样接受并转化为电信号，电信号传输至图像采集专用卡中： 图像采集专用卡将参考光束和测试光束的的光信号与斩波器输出的调制频率的参考信 号做互相关运算可以从混有噪声和干扰信号的信号中提取出相应调制频率的测试光 荤荤甲甲 获取光斑内图像灰度值 l 【 获驭光斑内图像灰度值 善囱臣壶口 第三誊检测系统硬件设计 本章主要针对光学透过率检测系统中的光源发生系统、光束分光系统，调频系统、 光电转换系统、图像采集系统等硬件系统进行分析与设计。 3 1 光源发生系统 在光学透过率检测系统中，光源笈生系统负责产生光学信号，并将光信号处理成 平行光。光学信号发生系统由光源光阑，聚光镜，滤光片组成。工作过程是经光源 发出的光经聚光镜后变为平行光，其直径由光阑调整。 光源通常指能发光物体它可分为天然的和人造的两种。像太阳，星体以及地球 上的各种爆炸物属于天然光源：而白炽灯、汞灯、脉冲灯以及各种激光器和固体发光 器件等均属人造光源。在光学检测中常采用白炽灯、l e d 、荧光等作为光源。普通的 白炽灯亮度强，但使用寿命短，只有5 0 0 小时左右不能长时间检测：新型的l e d 光 虽然在使用寿命上有了很大提高但亮度和色温太低在于在复杂环境下工作易受到干 扰。卣豪灯的寿命时间长( 白炽灯的4 倍) ，亮度强，色温高，显色性好( r a = 1 0 0 ) ， 价格便宜在长时间工作下亮度和色温几乎没有变化非常稳定。由于卤素灯具 有这些优点，在光学检测中应用非常广泛。 所采集到的图像必须是可视的，所以滤光片要选择在可见光范围内的滤光片滤 除不可见的光。 3 1 1 稳压电源设计 没有好的电源被测对象就没有良好的供电条件，电源不稳，被测对象工作就不 稳，即使使用最精密的仪器也难得到稳定、重复性好的结果。在本文中，由于是对光 进行电调制。因此需要较为稳定的电压，才可以较好的降低系统的测量误差。假如光 源电压不稳定，则调制出来的光也是波动的，因此对于后续的检测有较大的影响，会 较严重的影响测量精度。因此要有较为精准的电源。 远方公司生产的w y 系列精密显直流稳压电源和 i t s 系列智能型精密纯洁交流测 试电源为各粪卤素灯、卤索灯光源及其它各类光源供特殊精密供电环境，满足各种精 确可靠的测试要求；此电源具有智能化程度高、稳定性好、精度高输出电流及电压 连续可调等优点。 本文中选用远方公司的电源w y 3 0 1 0 作为稳定电源，谚电源是高稳定直流现行稳 流稳压型功率电源并带四位半数显电流表和电压表分别监测电流和电压源表一体 化。其技术特性为： 输出范围：0 - 3 0 v 0 1 5 a ： 满度时输出电压飘零；0 0 1 读数3 r a i n ： 满度时输出电流飘零：00 1 读数3 r a i n ： 电压表分辨率：00 0 0 1 v ( 00 0 0 0 v 一1 00 0 0 v ) ：00 0 i v ( 1 00 0 0 v - 3 00 0 0 vj ： 电流表分辨率：00 0 0 l v ( 00 0 0 0 v 一1 00 0 0 v ) ：00 0 0 l ( 1 00 0 0 v 3 00 0 0 v ) ； 3 2 光束分光系统 光束分光系统由半反半透镜和反射镜组成。它的工作过程是由滤光片校正后的光 经半反半透镜1 分为两束光一束为参考光束，另一束为测试光束a ：参考光束经反 射镜4 调整为与测试光束a 相平行的光束b ：再经过斩波器调频后，参考光束b 及测 试光束a 经反射镜3 和半反半透镜2 调整同时送入光电传感器中。它的工作原理如图 32 所示。 半反半透镜是一种分光镜。分光镜是光学窗片，其表面镀有半透明的镜状膜能 将一束光线分解为两柬或更多束光。分光镜将部分入射光能量反射，吸收相对较小的 一韶分量，将其余的能量透射。 在选掸半反半透镜时需要使用能够进行5 ：5 的分光效果的半反半透镜。但需要 注意的问题是有的半反半透镜的分光比不是5 ：5 ，大约达到2 ：8 参考光路损失较大 还需要利用软件对参考光路输出信号进行补偿，十分麻烦而且不准确，所以选择合 适的半反半透镜非常重要。 本文中采用a e c u t e 光学科技有限公司的可见光半反半透镜型号为 b s p 4 0 0 7 0 0 5 0 5 0 。光源发出的平行光与半反半透镜入射角为4 5 。它的工作原理如囝 3 3 所示。 它的主要工作参数为：分光波长4 0 0 n m 一7 6 0 n m ，反射5 0 ，透射5 0 ，厚度 19 r r l m 。b s p 4 0 0 7 0 0 - 5 0 5 0 在波长( 4 0 0 r i m 7 0 0 r i m ) 间的透射量和反射量之间的分光比 t 值如表3 i 所示。 川m = 蒜。 强， 圈3 2 光束丹光系统原理国 半反半透镜2 圈3 3 半反半透镜工作原理图 表3 - l 波长t 4 0 0 n m 一7 0 0 r i m 】问的靠光比t 从表中可以看出b s p 4 0 0 7 0 0 5 0 5 0 在可见光范围内的分光效果良好，基本可以得到 5 ：5 的分光量，不需要对参考光路输出信号再补偿。可以满足光学透过率测试系统的 要求。 33 调频系统 调频系统的作用是将光束分光系统产生的直流光调制为交流光。它由光学斩光器 和光电耦台器组成。 斩光器一种电子控制的风扇式轮叶在一定转速下将连续光调制( 斩断) 成一定频 率的周期性断续光，且遮断时间等于透光时间，把光源改成交变的“方波”光源。斩光 器主要用于为其他测量仪器( 如锁定放大器慢供参考信号。 轿光器作用是使直流辐射信号变成交流辐射信号，交流信号便于电子学处理。光 学斩波器，由机械斩光片、机械架、光耦频率反馈和速度控制电子学系统四部分组成。 斩光嚣在光测量应用中，把连续光源发出的光，调制成等时断续的光信号，便于光电 变换后进行选频放大和相关检测。 本文采用南京鸿宾微弱信号有限公司生产的h b 一4 0 4 型频率可控积参考斩光器，实 物图如图3 4 所示。此斩光器除了能对被测光进行调制外还可以同时输出与调制频率 同步的参考信号。 主要技术指标： 1 斩光频率范围：1 0 h z 一2 0 0 0 h z 。 2 频率显示误差：o1 h z 。 3 频率稳定度( 预热一小时) ：01 d 、时。 4 参考输出：两路：内孔外孔，波形：方渡幅度： 6 v + 6 v 。 j 相位抖动：15 。 6 启动稳定时问( 电机最高转速) ：6 0 秒。 7 外控信号：方波：t t l 电平频率：】o h z 一2 0 0 0 h z ： 8 工作条件：环境温度：0f 一+ 4 0 1 c 环境湿度： d o ( 4 4 ) ( o 。 44 鼠为截止频率，d ( u ，v ) 代表从频率平面的原点到( ) 点的距离。图47 为理 想低通滤波器传递函数的三维图图4 8 为传递函数的俯视图。 图47 传递函数的三维图 2 理想带通滤波器 传递函数由下式表示： 脚) = 惦虢 可看成是由矩阵脉冲和偶冲激对做卷积所得： 脚) 一州古) u - u o ) 坝 = ；( + ) ，”= 一 理想带通滤波器的传递函数的三维图如图4 9 所示。 图4 9 传递函数的三维图 理想带通滤波器的冲激响应： h q ) = 2 ”絮笋c o s ( 2 删 ( 4 8 ) 冲檄响应的示意图如图41 0 所示。 ，j j i上 | 辣二坍 一。介n f 一、v j ， 图41 0 理想带通滤波嚣的冲激响应的示意图 433 最优滤波器的设计 在图像处理中曾经出现非常多的滤波器设计，但很多都是次优的，并不是最优。 次优滤波器( 易于用计算机实现) 可能会给图像引入人为的现象，而且常常是不 可预料的。例如在一个域为矩形的滤波器，在对应的域中则会产生减幅振荡( 振铃) 。 维纳估计器对于从加性噪声中恢复未知信号是最优的，而匹配检测器对于检测淹 没在加性噪声中的己知信号是最优的m 】。 维纳估计器的目标是：己知噪声和原图像的能量谱输，输入和输出求未被噪声 污染的原信号mj 。 是优准则：使实际输出和期望输出的均方差最小 m s e = 【s ( ，) ，( f ) 】! ) = 【j ( f ) 一，( ，) d t 图41 1 维纳估计器模型 4g ) 圈4l l 是维纳估计器的模型图其中5 ( ，1 为有用信号。x ( ，) 为观察信号， ( ，) 为 冲激口向应 ( ，) 为加性噪声信号，v ( ，) 滤波器输出的信号。 434 光斑图像噪声滤波 本系统是对光斑图像进行处理通过比较空测和实测时光斑的亮度变换来计算光 学透过率。在透过率测试中出现的背景光干扰以及光斑图像中的c c d 热噪声、采集电 路引起的噪声和a i d 转换噪声，这些原因使得了光斑图像受到污染，造成了测量结果 不准确。而这些噪声与图像的关系是相加的，不管有没有图像，噪声都存在。因此这 些噪声都属于加性噪声。针对光斑图像的这些特点，本文采用维纳估计器滤波的方法， 因为维纳估计器对于从加性噪声中恢复信号是最优的。维纳估计器的设计思路：使用 冲激响应 ( ，) 描述均方差： 艇= 二，( t ) d t 一2 二s ( t ) y ( t ) d t + f 二y ：( t ) d t = i + l + e ( 41 0 ) 其中 i2 j 。s ( t ) d t 2 ls ( t ) s ( t + o ) d t 2 r ( o ) ( 41 1 ) z 是s ( ，) 自相关函数的在r = 0 点的值是已知的。 e 。- 2 l * ) lh ( r ) x ( r 一，瑚。之l “( f 吃( r ) 出 ( 41 2 ) 4 】3 ) 最小化m s e 即滤波器最优的充分必要条件是维纳滤波器使得输入输出的互相关函 数就等于信号f 信号一噪声) 的互相关函数。下图为计算互相关函数的流程图 以( ) = 拙) + r ；( u ) = r 。) l r ，( s 】= h d s ) r ，( j 】= 月。( s ) 图41 2 互相共函数流程图 根据上式得出维纳估计器的传递函数( 频率特征) 维纳估计器的设计步骤： ( 1 ) 对输入信号z ( f ) 进行数字化。 ( 2 ) 求输入信号的自相关且( t ) 得到一个估计值。 ( 3 ) 计算置( ，) 的博里叶变换得到只( j ) 。 ( 4 ( 5 ( 6 由 所 其 s ( ”1 际报难 在实际应用中发现当女= 0 时退化为逆滤波当女值不断增大时光斑图像边缘 模糊不清，不能很好的进行图像分割。通过比较发现，当女= 0 0 】时，能够得到非常好 的效果并且可以去掉大部分的噪声 所以在滤波前需要进行傅立叶变换， 器滤波方法得到的光斑图像。 f 在进行维纳估计器进行滤波是在频域上进行的， 滤波后进行傅立叶逆变换。下图为采用维纳估计 ( ajf b l 图4l3 维纳估计器滤波后的图像 上图中( a ) 图为原图像，( b ) 圈为采用女= 00 1 的维纳估计器滤波后的图像。滤 波后的图像与原图像的s n i r ( 信噪比) 为4 73 7 00 9 8 ，峰值信嗓比为4 9 】2 92 2 8 。从图 中可以看出光斑的高频部分得到了非常好的加强并且由c c d 相机和采集电路产生的 加性噪声有了很好的抻制。通过计算信噪比知道图像的质量也有了很大的提高。说明 采用维纳估计器滤波可以基本实现对光斑图像的预处理。 4 4 图像分割 图像分割是一种非常重要的图像理解技术。在透过率检测系统中，为了定位光斑 光亮部分的中心以及半径方便，需要将这一部分从背景中提取出来。由于测试是在亮 场下进行的，得到的图像中背景像元的灰度值与光斑像元的灰度值接近，采用简单的 二值化处理，无法将光斑光亮部分准确的分割出来，因此需要选取合适的图像分割方 法m i 。 一幅光斑图像包括光斑区域和背景区域。 设光斑原图像为f ( x y ) ，以某种条件为准则在f ( x j ，) 中找到一个合适的值作为 阖值t 分割后的图像为，。( ty ) ，由式( 4 1 6 ) 表示。 九”忙黔器 由于图像目标区域和背景区域不一定分布在两个不同的灰度范围内 闽值设定为一个灰度范围( fl ) ，由下面的两式表示： ，。f ts f ( xy ) 丁 其他 4 1 6 4l7 书 或 九w ，= 任。；慧m 利用取闷值法分割图像是一般都需要对原图像进行假设。最常用的方式：假设图像 由具有单峰灰度分布的目标和背景组成，处于目标或背景内部相邻像素间的灰度值是 高度相关的。但是光斑图像灰度直方图成双峰状如图41 4 所示，目标区域和背景区域 不是高度相关的，采用这种方法就失效了； 图41 4 光强图像灰度直方图 对于这种灰度直方图出现双峰或多峰的情况，常采用的方法有直方图闽值法、分 水岭算法、最大方差闽值法等。 直方图闽值法是先找出直方图中的两个灰度值极大值点，熬后根据直方图求出这 两个极大值之间的最低点作为闽值这种方法容易受到噪声的干扰晟小值不一定是 预期的阉值。 分水岭算法是一种多闽值分割算法将一幅图像看作成一个拓扑地形图灰度值 看作是地形的高度值。高灰度值对应山峰，低灰度值则对应山谷。将这种思想应用于 图像分割就是在图像中找出不同的吸水盆地和分水岭这种方法虽然巧妙但是在 实际应用。目标区域虽然用分水岭标记出来但是背景区域也被分水岭标记出来相 当于没有将背景击除所以这种算法在本文中并不适用。 最大方差闽值的方法是一种自适应的闽值确定方法，求出直方图上粪间方差最大 的值作为闽值，最大方差闽值的方法具有简单，处理速度快的特点。 它是把灰度直方图在某一闽值处分割成两组，当被分成的两组间方差最大时确 定闽值。假设光斑图像的灰度值为o m 一1 级灰度级i 的像素数为h 则得到的像素 总个数可表示为： = e n ( 4 1 9 ) 那么各级像素出现的概率则可表示为： p = 生n ( 42 0 ) 然后用某一级像素值t 将其分成两组c o = o t - 1 】和c i = t m 1 ) ，各组产生 的概率为： c 0 组产生的概率= 只= ( r ) ( 42 1 ) c j 组产生的概率= e p , = 1 一 ( 4 2 2 ) c 。组的平均值“= 善r - l 蔷i p = 尝曷 c 。z ， 值 就 部 后 图41 5 阈值丹刮后的图像 最大方差闽值的核心v c - - - 代码 f l o a tu o u 1 ： f l o a t w o w l ： j n tc o u n t o ： i n t tm a x t ： f l o a td c v im a x d e v i = o ： l n l i ： i n ts u m - o ： f o r ( i = 0i 2 5 6 ：i r 千1 s u m 2 s u r n + h i s t a r r a ) f o “t = 0 t 2 5 5 ：t h l u 0 = o ：c o u n t 0 = 0 f o r ( i - o ；j - = 【h i s 4 c o 和c 1 组的均值 7 c 0 和c l 组产生的概率 t 0 组的像素数 悯值t 及记录方差最大时的最佳阈值m a x t v 方差及最大方差 伸自环变量 u o = u o c o u n